导磁输流管的磁致振动除垢防垢装置及激励频率计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及除垢防垢领域，尤其是一种用于导磁输流管的磁致振动除垢防垢装 置。
【背景技术】
[0002] 水垢问题一直是困扰各类热交换工业设备的主要问题，如锅炉和冷却塔等。为了 除去水垢，最初使用的方法为化学方法。化学方法就是用可W与水垢发生化学反应的除垢 试剂冲洗输水管道，使水垢生成可溶于水的盐类，进而被水流冲走。化学除垢方法虽然能够 有效解决水垢问题，但是却也存在一系列问题，W我国为例，每年为了清洗数十万台次的锅 炉和热交换器，需消耗数W万吨计的化学药品，运不仅浪费了大量的人力物力，而且残余的 化学药品对环境造成了严重的污染。因此在运一背景下，物理阻垢方法渐渐被广泛应用。
[0003] 物理阻垢方法多是利用声波、光波、电场及磁场等外界场量对工业用水系统及体 系进行直接或间接作用，从而实现除垢防垢的目的。目前市场上普遍应用的功率线圈类水 处理器就是基于交变电磁场的一种除垢防垢装置，但其除垢防垢机理还不明确。很多此类 装置的设计及使用都是基于交变电磁场能够改变水流体微观结构及物化性质的假说，但是 在工业过程的实际应用中使用效果却并不稳定。不仅如此，该类除垢防垢设备在应用中所 产生的现象也与上述假说所产生的效应不符，例如，当功率线圈缠绕在结垢严重的锅炉输 水管上并在交变激励下产生交变电磁场时，作用一段时间后，锅炉内壁的水垢会呈大块的 脱落，经常会堵塞输水管，严重时甚至引起锅炉爆炸，因此，早在二十世纪70-80年代，我国 就已经针对运种无根据的技术应用出台相应政策法规，规定功率线圈类的除垢防垢设备， 不可直接应用于锅炉系统的一次管网中，杜绝该类技术应用所引起的生产重大事故。
[0004] 目前该类装置设计及应用的理论基础，仍然是交变电磁场能够改变水流体微观结 构及物化性质的假说，但在工业生产的实际应用中，功率线圈所缠绕的输流管往往为铁磁 性材料的水管，根据磁场及磁路理论，铁磁性水管对功率线圈产生的磁场具有电磁屏蔽作 用，功率线圈产生的磁场无法透过水管壁作用到内部的水流体中。因此，关于交变电磁场作 用于水管内部水流体微观层面的假说，在实际应用中是不成立的。从另一个角度说，到目前 为止工业生产中基于功率线圈的除垢防垢装置的设计及应用，仍然缺乏正确的理论依据。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种工作稳定、效率高、可控性强的用于导磁输流管的磁致 振动除垢防垢装置。
[0006] 为实现上述目的，采用了 W下技术方案：本发明所述装置包括单片机主控制板、 L邸显示控制模块、液晶显示屏、功放驱动模块、功率放大模块、功率线圈、报警模块、功率电 源模块、线圈功率实时监测模块、键盘输入模块、工作模式调节模块、启动开关W及复位开 关;其中，线圈功率实时监测模块、键盘输入模块、工作模式调节模块分别与单片机主控制 板的信号输入端通过线束连接，单片机主控制板的信号输出端分别与L邸显示控制模块、功 放驱动模块、报警模块连接，L抓显示控制模块与液晶显示屏连接，功放驱动模块与功率放 大模块连接，功率放大模块的功率输出端连接功率线圈，功率放大模块的输入端与功率电 源模块相连;启动开关和复位开关分别与单片机主控制板相连对装置进行启动、复位控制。
[0007] 进一步的，所述功率线圈可为单组线圈，也可由多组线圈并联组成。
[0008] 进一步的，所述装置可与沉淀井系统配合使用。
[0009] -种基于上述除垢防垢装置的激励频率计算方法，功率线圈缠绕在铁磁性输流管 外壁上，功率线圈产生高频振动，高频振动的机理为磁致伸缩振动，铁磁性输流管的除垢防 垢效果与功率线圈内的交变激励信号频率相关，获取最优激励信号频率的方法步骤如下：
[0010] (1)根据磁致伸缩原理，铁磁性输流管在功率线圈产生的交变电磁场作用下会发 生高频振动，其振动频率与激励信号频率呈线性关系，关系式为：
[0011] f〇〇t = 2fin (1)
[001 2]式(1 )中，f DUt为输流管振动频率，fin为激励信号频率；
[0013] (2)当输流管振动频率等于自身固有频率时，输流管的振动强度达到最大，实现共 振;输流直管的振动方程为：
(2)
[0015] 式(2)中，EI表示输流管的弯曲刚度;M表示单位长度下流体的质量;V表示管内流 体在稳定状况下的流速;m表示单位长度下输流管的质量;Wi和W2分别表示管两个端面的晓 度;X表示当W输流管轴线左端为坐标原点时，轴线上某点与原点的距离;t表示时间；n质 示管内流体流动所产生的稳态轴向力，当输流管为直管时，该参数数值为0;
[0016] (3)根据式(2)获得输流管自身的前3阶固有频率，推导计算出输流管固有频率表 达式为：
(3)
[001引式(3)中，Q功输流管的第i阶固有频率，L为输流管长度；
[0019] (4)输流管共振振动能量主要分布在二阶固有频率上，根据式（1)，为使输流管达 到共振状态，激励频率与共振频率的关系为：
(4) 。
[0021] 工作过程大致如下：
[0022] 工作前，将功率线圈缠绕于铁磁材料的输流管的直管段上，应远离管线弯曲部位。 根据现场需要或输流管线铺设特点，可同时连接多个功率线圈分别缠绕在不同输流管上， 线圈间W并联方式相连接。工作时，LED显示控制模块与键盘输入模块配合使用，主要功能 为通过运两个模块输入现场的输流管尺寸参数、材料参数、管内水流流速参数、管内结垢状 况参数等，然后计算出能够引起输流管共振的功率线圈激励频率。然后，由单片机主控制板 发出经过功放驱动模块优化的频率数字信号，该信号通过功率放大模块W电压形式施加到 功率线圈两端，驱动功率线圈在铁磁性材料的输流管中产生交变电磁场，激励输流管产生 高频振动，达到使管内壁上附着的水垢脱落的目的，功率电源模块能够根据现场条件的变 化，实时调节功率线圈输出功率。当现场输流管系统各项参数难W确定时，可通过工作模式 调节模块设置工作模式调节模块使输流管振动在宽频段模式下。线圈功率实时监测模块与 报警模块配合使用，根据现场输流管的铺设结构实时监测控制功率线圈输出功率，进而使 输流管振动强度适度，避免由于剧烈振动造成输流管系统的机械损伤。另外，为了防止振落 的大块水垢及污垢堵塞输流管线，本装置可与沉淀井系统配合使用，提高排垢功能，避免堵 塞问题。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0024] 1、可将现场输流管尺寸参数、材料参数、管内水流流速参数、管内结垢状况等参数 设置到装置中，通过单片机程序自动生成能够使输流管产生共振的功率线圈激励频率，利 用交变电磁场引起铁磁类输流管作磁致伸缩高频振动，促使管壁内水垢自行脱落并被水流 带走。
[0025] 2、应用广泛、通用性强、输出功率较低、节能环保、安全可靠，具有广阔的市场前景 和良好的社会及经济效益。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的系统结构示意图。
[0027] 图2为本发明的控制面板结构图。
[0028] 图3为本发明的功率线圈在输流管壁内部的磁力线分布图。
[0029] 图4为输流管在本发明的电磁激励作用下振动的示意图。
[0030] 图5为带有沉淀井的输流管线结构示意图。
[0031 ]图6为输流管的自由振动频谱图。
[0032] 图7为激励频率为40細Z时的输流管振动